Confezionato, Le sfere di silicato di calcio su scala micron sviluppate alla Rice University sono un materiale promettente che potrebbe portare a un calcestruzzo più resistente e più rispettoso dell'ambiente. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato sfere di silicato di calcio di dimensioni micron che potrebbero portare a un calcestruzzo più resistente e più verde, il materiale sintetico più utilizzato al mondo.
Allo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari e allo studente laureato Sung Hoon Hwang, le sfere rappresentano mattoni che possono essere realizzati a basso costo e promettono di mitigare le tecniche ad alta intensità energetica ora utilizzate per produrre cemento, il legante più comune nel calcestruzzo.
I ricercatori hanno formato le sfere in una soluzione attorno a semi su nanoscala di un comune tensioattivo simile a un detergente. Le sfere possono essere indotte ad autoassemblarsi in solidi più forti, Più forte, più elastico e più durevole dell'onnipresente cemento Portland.
"Il cemento non ha la struttura più bella, " disse Shahsavari, un assistente professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. "Le particelle di cemento sono amorfe e disorganizzate, che lo rende un po' vulnerabile alle crepe. Ma con questo materiale, sappiamo quali sono i nostri limiti e possiamo incanalare polimeri o altri materiali tra le sfere per controllare la struttura dal basso verso l'alto e prevedere in modo più accurato come potrebbe fratturarsi".
Ha detto che le sfere sono adatte per l'ingegneria del tessuto osseo, isolamento, applicazioni in ceramica e compositi e cemento.
La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society Langmuir .
Il lavoro si basa su un progetto del 2017 di Shahsavari e Hwang per lo sviluppo di materiali autorigeneranti con materiali porosi, sfere microscopiche di silicato di calcio. Il nuovo materiale non è poroso, come un guscio solido di silicato di calcio circonda il seme del tensioattivo.
Sfere di silicato di calcio sintetizzate alla Rice University e confezionate in un pellet tenute insieme sotto compressione. Le sfere sono elementi costitutivi che possono essere realizzati a basso costo e promettono di mitigare le tecniche ad alta intensità energetica ora utilizzate per produrre cemento, il legante più comune nel calcestruzzo. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
Ma come il progetto precedente, è stato ispirato da come la natura coordina le interfacce tra materiali dissimili, in particolare in madreperla (aka madreperla), il materiale delle conchiglie. La forza di Nacre è il risultato dell'alternanza di piastrine inorganiche rigide e organiche morbide. Perché le sfere imitano quella struttura, sono considerati biomimetici.
I ricercatori hanno scoperto di poter controllare le dimensioni delle sfere che vanno da 100 a 500 nanometri di diametro manipolando i tensioattivi, soluzioni, concentrazioni e temperature durante la produzione. Ciò consente loro di essere sintonizzati per le applicazioni, ha detto Shahsavari.
"Questi sono elementi costitutivi molto semplici ma universali, due tratti chiave di molti biomateriali, " Shahsavari ha detto. "Permettono funzionalità avanzate nei materiali sintetici. In precedenza, ci sono stati tentativi di creare blocchi di piastrine o fibre per compositi, ma questo lavoro usa le sfere per creare forti, materiali biomimetici resistenti e adattabili.
"Le forme delle sfere sono importanti perché sono molto più facili da sintetizzare, autoassemblarsi e crescere dal punto di vista della chimica e della produzione su larga scala."
Nei test, i ricercatori hanno utilizzato due tensioattivi comuni per creare sfere e hanno compresso i loro prodotti in pellet per i test. Hanno appreso che i pellet a base di DTAB si compattavano meglio ed erano più resistenti, con un modulo elastico più alto, rispetto ai pellet CTAB o al cemento comune. Hanno anche mostrato un'elevata resistenza elettrica.
Shahsavari ha affermato che le dimensioni e la forma delle particelle in generale hanno un effetto significativo sulle proprietà meccaniche e sulla durata di materiali sfusi come il cemento. "È molto vantaggioso avere qualcosa che puoi controllare rispetto a un materiale che è casuale per natura, " ha detto. "Inoltre, si possono mischiare sfere di diverso diametro per colmare i vuoti tra le strutture autoassemblate, portando a densità di imballaggio più elevate e quindi a proprietà meccaniche e di durata."
Ha detto che aumentare la resistenza del cemento consente ai produttori di utilizzare meno cemento, diminuendo non solo il peso, ma anche l'energia necessaria per realizzarlo e le emissioni di carbonio associate alla produzione del cemento. Poiché le sfere si impacchettano in modo più efficiente delle particelle sfilacciate che si trovano nel cemento comune, il materiale risultante sarà più resistente agli ioni dannosi dell'acqua e di altri contaminanti e dovrebbe richiedere meno manutenzione e sostituzioni meno frequenti.
